基于单片机控制的旋转倒立摆建模分析与系统设计

旋转倒立摆结构简单,但控制系统较为复杂。介绍了旋转倒立摆的结构原理,运用分析力学中的Lagrange方程建立了旋转倒立摆的线性数学模型,推导出其公式及较为准确的状态方程描述,分析了旋转倒立摆的不稳定性和可控性。设计了控制系统硬件电路及软件程序编写,对系统整个控制过程进行了数据采集、图形展示,分析了摆杆从自然下垂到摆起180°实现倒立的整个过程。系统采用离散PID调节算法进行控制,保证了系统的稳定性,融入卡尔曼滤波算法滤除可能出现的干扰信号,保证了数据的准确性。     

单级旋转倒立摆的控制系统设计

介绍单级旋转倒立摆的控制系统设计.系统采用LQR算法控制旋转臂和摆杆位置,验证了小角度内平衡点附近线性化的合理性,结构简单且控制快速,具有良好的稳定性和鲁棒性.     

欠驱动旋转双摆系统的建模与仿真

研究倒立摆控制问题,针对旋转双摆系统这一新颖的欠驱动机械系统,而旋转双摆系统是由一个驱动的旋转臂和两个未驱动的旋转摆杆组成,选取驱动臂和两个摆杆的旋转角度作为系统的广义坐标,系统存在不稳定平衡点.为对系统进行稳定性控制,采用拉格朗日方程的方法建立了其动力学模型并总结了系统模型的特殊性质.为了便于进行稳定控制器的设计,给出了近似条件下旋转双摆系统的线性化.对动力学模型进行了仿真实验,仿真结果表明实现了系统的稳定性控制,说明了模型的有效性.     

旋转二级倒立摆的控制系统设计与仿真

小车倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的自然不稳定系统,其控制问题被公认为控制理论的一个典型问题,是控制理论研究的典型实验平台.旋转二级倒立摆是一种新型的倒立摆装置,与同级的直线轨道倒立摆相比,结构简单紧凑,但模型更复杂和不稳定,对控制算法提出更高的要求,增加了控制难度.该文基于动力学理论分析旋转二级倒立摆系统的结构,建立了旋转二级倒立摆系统的数学模型状态空间方程,分析了系统的稳定性和可控性.采用二次型最优控制策略对旋转二级倒立摆系统进行控制系统设计,并借助Matlab平台进行了仿真实验.实验结果证明了其控制有效性,该控制结果与其它控制方法相比,有较优的稳态特性和快速性,系统处在较大的非平衡初始状态,旋转二级摆杆也能稳定地控制在倒立平衡位置附近.因此可以进一步扩展到多级旋转倒立摆的控制,对于实现其它不稳定系统的控制,也有着一定的借鉴价值.     

旋转二级倒立摆的二次型最优控制研究

针对多变量、非线性和强耦合的旋转二级倒立摆系统,采用分析力学理论分析旋转二级倒立摆系统的结构,建立了旋转二级倒立摆系统的数学模型状态空间方程,分析了系统的稳定性和可控性.将系统的状态空间方程在平衡点附近进行线性化处理,分别采用线性二次型最优控制策略LQR及LQY方法对旋转二级倒立摆系统进行控制系统设计,并借助Matlab平台进行了仿真实验研究.对控制结果进行了详细分析研究,对于实现其他不稳定系统的控制,有着一定的借鉴价值.     

单级旋转倒立摆的二次型最优控制研究

针对多变量、非线性和强耦合的单级旋转倒立摆系统,采用拉格朗日方法推导单级旋转倒立摆系统的数学模型,并在平衡点附近进行线性化处理,分析了系统的性能.分别采用线性二次型最优控制策略LQR及LQY方法对旋转倒立摆系统进行控制系统设计,并借助Matlab平台进行了仿真实验研究.实验分析表明这两种控制方案可行,且效果良好.     

欠驱动旋转双摆系统的模糊控制

旋转双摆系统由一个单电机驱动的旋转臂和两根安装在旋转臂上的未驱动的旋转摆杆组成,是典型的欠驱动系统,模糊控制设计的目的是将两根摆杆稳定在倒立位置的同时将旋转臂控制到原点.首先,基于拉格朗日方程获得系统的非线性动力学模型,进而给出其在不稳定平衡点附近的线性化模型.在进行模糊控制器的设计过程中,由于旋转双摆系统有6个状态变...     

基于C8051F020单片机的简易旋转倒立摆系统

倒立摆系统是研究控制理论的实验平台,利用C8051F020单片机作为平台构建了一个简易的旋转倒立摆系统.系统采用L298N组建功率放大电路驱动直流电机,控制电机按照要求运行;对角度传感器检测到的摆杆位置作AD采样,并将其反馈给单片机,与设定值进行比较,实现闭环调节;摆杆的平衡控制采用PID算法调节,取得了满意的控制效果.     

基于Lagrange方程建模的旋转倒立摆的分析与控制

本文通过对旋转倒立摆的动力学特性分析建立了基于Lagrange方程的数学模型，然后应用线性二次型最优控制策略设计控制器，最后在Windows2000平台下控制旋转倒立摆稳定在倒立状态。     

基于能量控制与近似输出调节的二级倒立摆起摆和跟踪控制

二级倒立摆是一个典型的欠驱动非线性系统,其控制问题具有一定的挑战性.为了解决时变参考信号下二级倒立摆的起摆和跟踪控制问题,本文提出了一种基于能量控制与近似输出调节方法的起摆和三阶控制器设计方案.首先,采用能量控制方法将第1级摆杆从下垂位置摆起到倒立位置附近;其次,采用滑模控制方法将第1级摆杆稳定在倒立位置,同时,采用等效小车与能量控制相结合的方法将第2级摆杆摆起到倒立位置附近;最后,采用基于近似输出调节理论的多项式近似方法设计三阶控制器实现二级倒立摆的位置跟踪控制.仿真和实验结果均验证了该控制方案的有效性.     

基于最优控制的行车系统消摆控制

针对行车系统运动的特点,根据理论力学理论,采用拉格朗日方程建立了行车系统的动力学模型。该模型完整地描述了行车系统的水平方向、垂直方向与前后方向的三维运动以及由这些运动引起的负载摆动,并在该非线性模型基础上给出了近似条件下的行车系统的线性化模型。根据专家经验,借助最优控制理论,提出一种防摆控制方法。该方法将消摆和运行控制结合起来考虑,在运行过程中不需实时跟踪测量负载摆角、摆速,仅通过控制行车各阶段的运行时间或距离即可实现行车停车与负载消摆的同步控制。仿真结果表明该方法简单合理,易于工程实现。     

基于SPI接口的单摆控制系统的设计与实现

介绍一种由高精度角度传感器测量、电磁装置控制的单摆运动系统,用户可以按需求设定单摆的周期或最大摆角,控制系统通过接收和处理角度传感器的信息,自动调整单摆的运动状态,从而达到预先设定的控制要求.该系统具有有结构简单、测量方便、调整速度快,角度误差小等特点.可根据不同需要应用于各种倾角以及运动姿态测控系统中.     

桥式吊车的滑模变结构控制

针对变绳长桥式吊车系统负载快速和精确定位的要求，设计了一种滑模变结构控制器。基于系统的状态空间模型，分别设计了吊车位置和绳长的线性滑模面，在吊车位置滑模面中考虑负载摆动的速度项，实现了在小车和绳长定位的同时，消除负载摆动的控制目的。为了解决控制力的抖动问题，给出了将非连续函数连续化的方法，在保持控制效果的同时消除了控制力的抖振现象，从而提高了控制器的实用性。仿真实验结果证明，该控制器可实现变绳长吊车系统负载的定位要求。     

基于导纳控制的膝关节外骨骼摆动控制研究

针对膝关节外骨骼机械腿运动过程中对操作者的运动跟随问题,提出了一种基于导纳原理的等效惯量补偿控制方法.设计导纳控制器将外骨骼与操作者间的交互力矩转化为期望的运动轨迹;通过低通滤波加速度与惯量增益的乘积形成的闭环反馈实现等效惯量补偿;结合腿部肌肉表面肌电信号进行人体摆腿运动换向的预判,实施膝关节外骨骼机械腿的摆动控制,实验结果表明,膝关节外骨骼与受试者之间的关节角度相对误差为±12%,膝关节外骨骼机械腿对受试者的摆腿运动能实现较好的运动跟随.     

起重机模糊神经网络防摇摆控制仿真研究

起重机起重过程中吊物摇摆系统模型的复杂性,非线性,时变性导致传统PID控制在此过程中存在控制效果不理想,控制参数难以整定等问题。利用模糊控制不依赖精确数学建模,以及神经网络的自学习性等优点。提出一种将起重机传统PID控制与模糊神经网络相结合的控制方法。通过仿真对比发现改进后的控制方法能够有效降低系统稳定的调节时间,吊装货物的摆幅也得到减少。     

基于 GAs 模糊控制的掘进机截割电动机恒功率控制

为了解决悬臂式掘进机截割随机分布的煤岩时载荷变化剧烈、能量消耗大、工作效率低的问题,利用遗传算法对悬臂摆动速度进行模糊控制,实现对截割电动机的恒功率控制。建立了掘进机悬臂水平摆动系统的仿真模型,利用Matlab软件对模型进行仿真。结果表明：该系统较传统控制方式的悬臂摆动速度波动减小25.9%,截割电动机功率超调小5.0%,调节时间缩短0.1s,响应速度快、精度高,具有良好的控制特性,能根据截割煤岩的不同,自动调节悬臂摆动速度,降低了掘进机功率损失、提高了工作效率。     

Novel Approach for Adaptive Tracking Control of a 3-D Overhead Crane System

Traditionally, overhead crane systems are operated by humans. However, automatic operation would reduce both the risk and the personnel costs. From the engineering viewpoint, the most important issues in crane motion are high positioning accuracy, short transportation time, small sway angle, and high safety. Hence, stabilization control is particularly concerned. In this paper, a novel adaptive control scheme including both the cart motion dynamics and the swing angle dynamics is designed to ensure the stability of the closed-loop system. No system parameters are needed, and accurate position tracking as well as minimal swing is achieved. The stability of the closed-loop system is proved via Lyapunov theory. Simulation studies and experiments are performed to demonstrate the validity of the proposed control scheme.     

欠驱动三连杆机械臂能量解耦控制策略

针对第二关节为被动的欠驱动三连杆机械臂提出一种能量解耦控制策略.首先,将整个运动空间分为摇起区和平衡区,为了实现快速摇起控制,进一步将摇起区分为摇起子区间一和摇起子区间二;其次,基于Lyapunov函数设计控制律,使第三杆相对于第二杆处于自然伸展的状态,即使第三杆角度和角速度收敛为零,从而解除能量控制与第三连杆姿态之间...     

电磁控制运动装置设计

设计一种电磁控制运动装置,通过安装在摆杆上的角度传感器SCA100实时测量摆杆角度,单片机将测量角度与给定角度比较通过PID算法计算出控制量来调节输出PWM波的占空比,经过L298N驱动电路后实现对电磁铁线圈电流控制,进而调节电磁力的大小完成对设定的摆杆摆角与周期的控制。装置能够实时显示摆角、预置摆角、测量周期、预置周期。     

倒立摆系统的自摆起和稳定控制

为了实现一级倒立摆系统自摆起和稳定控制，该文采用了最优控制与PID控制相结合的控制方法。首先，采用Bang—Bang控制理论设计开环时间最优控制器，实现倒立摆的平稳快速摆起，同时设计经典PID控制器控制小车位置；然后采取线性二次型最优控制理论设计LQR控制器，将倒立摆稳定在平衡位置。计算机仿真和倒立摆系统实时仿真表明，文中提出的控制策略和控制算法得到了很好的验证，取得了满意的效果。